DE2913772A1 - Halbleiter-druckwandler - Google Patents

Halbleiter-druckwandler

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Motohisa Nishihara
Seiko Suzuki
Minoru Takahashi
Takahiko Tanigami
Kaoru Uchiyama
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Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan
Halbleiter-Druckwandler
Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Druckwandler und ein Verfahren zum Verbinden eines Deckgliedes aus Isolierstoff mit einer Oberfläche einer Siliziummembran, auf der Piezowiderstandselemente und Leiterbahnen vorhanden sind.
Es gibt bereits Druckwandler mit einem Glassubstrat und einer dünnen Siliziummembran, auf die eine Piezowiderstandsbrücke diffundiert ist (US-PS 3 918 019 und 4 079 508). Die Bauteile der Brücke sind genau ausgerichtet und mit Haft- oder Bindekissen und Leiterbahnen verbunden, die beide auf dem Silizium ausgeführt sind. Das
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Glassubstrat enthält eine kreisförmige Bohrung mit einem Durchmesser, der wenigstens so groß wie der Durchmesser der Membran ist. Leitungen sind auf dem Glassubstrat in einem Muster aufgetragen, das an das Muster der Haft- oder Bindekissen auf dem Silizium angepaßt ist. Das Silizium ist mit dem Glassubstrat verbunden, wobei die Siliziummembran die Bohrung im Glas überlagert und die Haft- oder Bindekissen die Leitungen überlagern, die auf dem Glas durch anodisches Verbinden aufgetragen sind. Die durch dieses Verfahren erzeugte Bindung bewirkt eine hermetische Abdichtung um die Bohrung.
Gewöhnlich ist eine Schicht aus Isolierstoff, wie z. B. Siliziumdioxid (SiO2), auf der Oberfläche des Siliziums vorgesehen, um die Piezowiderstandsbrucke und die Leiterbahnen darauf zu schützen. In einem derartigen Fall ist es sehr schwierig, ein isolierendes Bauteil, wie z. B. das Glassubstrat, auf der Siliziumoberfläche durch ein Verfahren, wie z. B. das anodische Verbinden,"fest oder sicher zu verbinden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Siliziumdioxidschicht (SiO„-Schicht) dicker als 0,5 ,um ausgeführt ist.
Es gibt bereits ein Verfahren zum Verbinden eines isolierenden Bauteiles mit einer Passivierungsschicht, die eine Oberfläche eines Halbleiters bedeckt (vgl. US-PS 3 595 719). Bei diesem Verfahren wird vor dem anodischen Verbinden die Passivierungsschicht auf eine Dicke von wenigstens ca. 1000 S (=0,1 ,um) mit einem Ätzmittel geätzt.
Wenn ein derartiges Verfahren zur Herstellung des oben erläuterten Druckwandlers eingesetzt wird, verschlechtert
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sich die Kennlinie der PiezowiderStandsbrücke, da eine hohe Spannung an deren pn-übergang liegt. Insbesondere ist die Siliziuirunembran η-leitend, und die druckempfindlichen Widerstände der Piezowiderstandsbrücke, die darauf diffundiert sind, sind p-leitend. Wenn die positive Spannung am Silizium und die negative Spannung am Glassubstrat liegt, fließt ein Leckstrom durch den pn-übergang, wodurch die isolierenden Eigenschaften des pn-überganges beeinflußt werden.
Weiterhin werden die Leiterbahnen durch ρ -Diffusion ausgeführt, was zu einem geringen spezifischen Widerstand führt. Jedoch verursacht diese ρ -Diffusion auch Gräben entlang der Leiterbahnen, obwohl diese in der Tiefe sehr flach sind. Die Gräben beeinflussen die hermetische Abdichtung um die Bohrung. Für die hermetische Abdichtung können Haft- oder Bindekissen aus Gold vorgesehen werden (vgl. US-PS 3 918 019 und US-PS 4 079 508). Auch wurde das anodische Verbinden bereits beschrieben (vgl. US-PS 3 397 278).
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Halbleiter-Druckwandler und ein Verfahren anzugeben, bei denen ein isolierender Belag oder Deckel auf einer isolierenden Siliziummembran mit der Piezowiderstandsbrücke fest und beständig ohne obige Nachteile und in einer für eine Massenproduktion geeigneten Weise verbunden ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Halbleiter-Druckwandler gelöst mit:
Einer Siliziummembran, bei der auf eine Fläche ein Piezowiderstands-Dehnungsmesser und Leiterbahnen zur elektrischen Verbindung diffundiert sind,
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einer Passivierungsschicht, die die Fläche der Siliziummembran bedeckt, um den diffundierten Dehnungsmesser und die Leiterbahnen zu schützen, und
einem Deckglied aus Isolierstoff, der auf der Fläche der Siliziummembran angebracht ist,
wobei eine Schicht aus leitendem Material auf der Passivierungsschicht gebildet und eine Verbindung zwischen dem Deckglied aus Isolierstoff und der leitenden Schicht durch anodisches Verbinden hergestellt ist.
Die Erfindung sieht also einen Halbleiter-Druckwandler (für den absoluten Druck) mit einer Siliziummembran und einem Deckglied vor. Die Siliziummembran ist eine kreisförmige druckempfindliche Membran, auf deren Oberfläche Piezowiderstände und Leiterbahnen diffundiert sind. Das Deckglied aus Borsilikatglas enthält eine kreisförmige Bohrung. Auf die Fläche der Siliziummembran, auf der die Piezowiderstände und die Leiterbahnen diffundiert sind, ist eine Passivierungsschicht aus Siliziumdioxid aufgetragen. Weiterhin ist auf der Passivierungsschicht eine leitende Schicht durch z. B. Verdampfen von Silizium gebildet. Außerdem ist das Glas-Deckglied auf der Siliziummembran durch anodisches Verbinden aufgetragen. Insbesondere werden die Siliziummembran und das Glas-Deckglied bis zu einer bestimmten hohen Temperatur erwärmt, und eine relativ hohe Spannung liegt an der leitenden Schicht der Siliziummembran und den Glas-Deckgliedern.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Halbleiter-Druckwandlers ,
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Fig. 2 und 3 eine Draufsicht bzw. einen vergrößerten Schnitt einer Siliziummembran und eines Glas-Deckgliedes des in Fig. 1 dargestellten Halbleiter-Druckfühlers, und
Fig. 4 einen Teilschnitt mit anderen Leiterbahnen, die elektrisch Piezowiderstandselemente im Glas-Deckglied mit der Außenseite im Halbleiter-Druckwandler nach der Erfindung verbinden.
In der Zeichnung, bei der insbesondere in den Fig. 2 und
3 einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, hat eine Siliziummembran 1 einen Trägerrand aus dickem Silizium und darin eine kreisförmige druckempfindliche Membran aus dünnem Silizium. Das zur Herstellung der Siliziummembran 1 verwendete Ausgangsmaterial ist n-leitend. Auf eine Fläche der Siliziummembran 1 werden p-leitende Piezowiderstände 2a und ρ -leitende Leiterbahnen 2b in üblicher Weise diffundiert. Elektroden 3 aus Aluminium (Al) oder aus unbeschädigbaren drei Schichten aus Gold (Au), Palladium (Pd) und Titan (Ti) werden auf den ρ -Leiterbahnen 2b mittels eines Verfahrens, wie z. B. Zerstäubens oder Verdampf ens , aufgetragen. Weiterhin wird auf der Fläche der Siliziummembran 1, auf der die Piezowiderstände 2a und die Leiterbahnen 2b vorliegen, mit Ausnahme des Bereiches, in dem die Elektroden 3 aufgebaut werden, eine Passivierungsschicht
4 aus einem Isolierstoff, wie z. B. Siliziumdioxid (SiO2), gebildet. Außerdem wird auf der Passivierungsschicht 4 eine Schicht 5 aus einem leitenden Material, wie z. B. Silizium (Si), mittels Zerstäubens, Dampf-Wachsturns oder Verdampfung gebildet. Anstelle des Siliziums können andere Metalle, wie z. B. Aluminium (Al), Titan (Ti), Platin (Pt), Palladium (Pd)
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oder Beryllium (Be), zur Herstellung der leitenden Schicht 5 verwendet werden. Da die Passivierungsschicht 4 aus Siliziumdioxid zwischen der aufgetragenen Polysiliziumschicht 5 und der Siliziummembran 1 vorgesehen ist, kann bei der Verwendung von Silizium für die leitende Schicht 5 eine anfängliche Biegung der Siliziummembran 1 aufgrund des Unterschiedes der Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgeschlossen werden, so daß die Temperatur-Kennlinie der Siliziummembran 1 verbesserbar ist, d. h., die Änderung des Standardpunktes, wie z. B. des Nullpunktes, bezüglich der Temperatur aufgrund der durch den Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten hervorgerufenen Biegung ist ausgeschlossen. Weiterhin wird Silizium wegen des guten Haftvermögens an der Passivierungsschicht 4 aus Siliziumdioxid- besonders bevorzugt.
Auf der Oberfläche der Siliziummembran 1 ist ein Deckglied 7 angebracht. Dieses Deckglied 7 besteht zur Verbesserung der Temperatur-Kennlinie aus einem Material, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient im wesentlichen gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Silizium ist, z. B. aus Borsilikatglas, das von der Firma Corning Glass Work unter dem Handelsnamen "Pyrex" und vorzugsweise "Pyrex No. ΠAO" vertrieben wird. Dieses Borsilikatglas hat auch das gute Haftvermögen an Silizium. Eine kreisförmige Bohrung 6 wird auf der Unterseite des Glas-Deckgliedes 7 gebildet, und acht Durchgangslöcher 8 werden darin an Stellen entsprechend den Elektroden 3 erzeugt, die auf der Siliziummembran 1 vorgesehen sind.
Die Siliziummembran 1 und das Glas-Deckglied 7 werden nach einer Behandlung durch jeweilige vorbestimmte Prozesse miteinander durch anodisches Verbinden verbunden. Dieses anodische Verbinden ist eine Technologie zum Verbinden eines Halbleiters oder Leiters, wie z. B. Silizium, und eines Isolators,
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wie ζ. B. Glas, ohne Haft- oder Bindekissen und wurde in Einzelheiten bereits erläutert (vgl. US-PS 3 397 278). Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Siliziummembran 1 und das Glas-Deckglied 7 gestapelt, und es werden ein positiver Pol und ein negativer Pol, der positive Pol für die Siliziumschicht 5 und der negative Pol für das Glas-Deckglied 7, vorgesehen. Dann wird dieser Stapel aus der Siliziummembran 1 und dem Glas-Deckglied 7 in ein Vakuum gebracht und auf ca. 350 erhitzt. Zwischen diesen Polen liegt eine Spannung von 1000 V für ca. 30 min. Dadurch werden die Siliziummembran 1 und das Glas-Deckglied 7 fest oder sicher verbunden. Obwohl das oben erläuterte anodische Verbinden nicht notwendig unter Vakuum durchführbar ist, wird die hermetische Kammer 6 mit Vakuum vorzugsweise erhalten. Durch Einführen von Kapillarkörpern in die Durchgangslöcher 8 werden Leiter 9, wie z. B. Golddrähte, direkt durch Ultraschall-Kugel-Verbinden verbunden.
Um weiterhin einen Bruch und eine Wanderung der Leiter und Elektroden zu verhindern, sind Kunststofflagen 10 aus Siliziumgel oder RTV auf den Durchgangslöchern 8 angebracht.
Auf der anderen Fläche der Siliziummembran 1 ist eine Einheit 11 in der Form eines Rohres befestigt und bildet eine Kammer, in die der zu erfassende Druck geführt ist, sowie einen Druck-Einlaß. Diese Rohreinheit 11 besteht aus dem oben erläuterten Borsilikatglas und ist auch mit der Siliziummembran 1 durch anodisches Verbinden verbunden.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind die Golddrähte 9 auf dem auf dem Substrat 15 einschließlich eines Operationsverstärkers 14 gebildeten Dickfilmleiter durch Leiterrahmen 13 verbunden.
* RTV = Raumtemperatur-Vulkanisier-Silikongummi
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Andererseits ist das Substrat 12 auf einem Rohr 16 durch Haft- oder Bindekissen festgelegt, und das Rohr 16 hält darin das Rohr 11 fest. Am Substrat 12 ist auch das Hauptsubstrat 15 durch Haft- oder Bindekissen festgelegt. An der Kante des Hauptsubstrates 15 sind Anschlüsse und Anschlüsse 17 befestigt, durch die ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt wird.
In dem oben erläuterten Druckwandler wird ein elektrisches Signal proportional dem absoluten Druck im Einlaß, d. h. dem relativen Druck im Einlaß, d. h. dem relativen Druck im Einlaß bezüglich des Vakuums in der hermetischen Kammer, durch den üblichen Piezowiderstandseffekt erhalten. Das Ausgangssignal wird z. B. einem in einem Kraftfahrzeug angebrachten Mikrocomputer zugeführt, um dadurch eine elektronische Kraftstoffeinspritzung und/oder eine elektronische Voreileinrichtung zu steuern. Da weiterhin die Piezowiderstandselemente 2a in einem inaktiven Zustand oder der Vakuumkammer sind, werden die Piezowiderstands-Kennlinien und die Isolier-Kennlinien des pn-überganges von ihnen gegenüber der Umgebung geschützt.
In Fig. 4 ist ein anderer Aufbau der Leiterbahnen 2b dargestellt, die auf die Siliziummembran 1 anders als beim obigen Ausführungsbeispiel diffundiert sind. Z. B. erstreckt sich die Leiterbahn 2b über das Glas-Deckglied 7, und die oben erläuterte Elektrode 3 aus drei Schichten Gold-Palladium-Titan ist auf dessen ausgedehntem Teil angebracht. Auf der Elektrode 7 ist-der Golddraht 9 durch Draht-Verbinden vorgesehen .
Der oben erläuterte Aufbau der Elektrode ist insbesondere für eine Massenproduktion geeignet, da die Elektroden einfach erzeugt werden können.
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Claims (12)

  1. Ansprüche
    , Halbleiter-Druckwandler, mit
    einer Siliziummembraneinheit, auf der eine druckempfindliche Membran gebildet ist,
    auf die druckempfindliche Membran der Siliziummembraneinheit diffundierte Piezowiderstandselemente, deren Widerstandswert sich abhängig von der in der Membran auftretenden (mechanischen) Spannung verändert,
    Leiterbahnen, die auf die Siliziummembraneinheit zur elektrischen Verbindung der Piezowiderstandselemente diffundiert sind,
    eine Passivierungsschicht, die die Fläche der Siliziummembraneinheit bedeckt, auf die die Piezowiderstandselemente und die Leiterbahnen diffundiert sind, und
    ein Deckglied aus Isolierstoff, das auf der Fläche der Siliziummembraneinheit befestigt ist,
    dadurch
    gekennzeichnet
    daß eine Leiterschicht (5) zwischen der Passivierungsschicht (4) und dem Deckglied (7) vorgesehen ist.
  2. 2. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Leiterschicht (5) und das Deckglied (7) aus Isolierstoff durch anodisches Verbinden verbunden sind.
  3. 3. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
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    daß das Deckglied (7) aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht, der im wesentlichen gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Siliziums ist.
  4. 4. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Deckglied (7) aus Glas besteht.
  5. 5. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
    daß das Deckglied (7) aus Borsilikatglas zusammengesetzt ist.
  6. 6. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Leiterschicht (5) aus Silizium besteht, das auf die Passivierungsschicht (4) der Siliziummembraneinheit (1) aufgetragen ist.
  7. 7. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Passivierungsschicht (4) aus Siliziumdioxid besteht.
  8. 8. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn ζ ei chnet,
    daß das Deckglied (7) eine Bohrung enthält, die darin ausgeführt ist und zusammen mit der Siliziummembraneinheit (1) eine Kammer bildet.
  9. 9. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
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    daß ein rohrförmiges Glied (11) aus Glas mit der Unterfläche der Siliziummembraneinheit (1) verbunden ist, um dadurch eine Kammer zu bilden, in die der zu erfassende Druck geführt ist.
  10. 10. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß mehrere Durchgangslöcher (8) auf dem Deckglied (7) an Stellen entsprechend den Leiterbahnen (2b) der Siliziummembraneinheit (1) vorgesehen sind, und
    daß Elektroden auf den Löchern (8) des Deckgliedes (7) vorhanden sind.
  11. 11. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Leiterbahnen (2b) auf die Siliziummembraneinheit (1) über das Deckglied (7) hinaus diffundiert sind, und
    daß Elektroden auf den ausgedehnten Teilen hiervon vorgesehen sind.
  12. 12. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß das anodische Verbinden aufweist:
    Stapeln der Siliziummembraneinheit (1) und des isolierenden Deckgliedes (7),
    Erhitzen des Stapels aus der Siliziummembraneinheit (1) und dem Deckglied (7) bis zu einer bestimmten Temperatur, und
    Anlegen einer Spannung für eine vorbestimmte Zeitdauer an den Stapel aus der Siliziummembraneinheit (T) und dem Deckglied (7),
    wobei die positive Spannung an der Leiterschicht (5) auf der Siliziummembraneinheit (1) und die negative Spannung am isolierenden Deckglied (7) liegt.
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DE2913772A 1978-04-05 1979-04-05 Halbleiter-Druckwandler Expired DE2913772C3 (de)

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